رصد موجات الحرارة الكمومية في درجة حرارة الغرفة لأول مرة

يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تحسين الإدارة الحرارية في الإلكترونيات ودعم التقدم في تقنيات الحوسبة الكمومية والجيل القادم.

تنتشر الحرارة عادةً إلى الخارج من خلال المادة الصلبة، مما يجعل من الصعب التحكم فيها بمجرد أن تبدأ في التحرك. حتى الآن، لم تتم ملاحظة شكل موجي من النقل الحراري يسمى تركيز الفونون إلا عند درجات حرارة منخفضة للغاية، أو درجات حرارة منخفضة للغاية، مما يحد بشكل كبير من دراسته وتطبيقاته المحتملة.

الباحثون في جامعة كاليفورنيا مدرسة سامويلي للهندسة لقد أظهروا الآن أن الفونونات، وهي اهتزازات كمومية تحمل الحرارة عبر المادة، يمكن أن تنتقل عبر مسارات مركزة تشبه الأشعة في درجة حرارة الغرفة. بدلًا من الانتشار بالتساوي في كل اتجاه، اتبعت الحرارة مسارات تحددها البنية البلورية الأساسية، مما يشير إلى طريقة جديدة لتوجيه الطاقة الحرارية في الإلكترونيات المستقبلية والتقنيات الكمومية.

العمل الذي نشر في فيزياء الطبيعة، بقيادة يونغجي هو، أستاذ الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في جامعة كاليفورنيا في سامويلي. لاحظت مجموعته تركيز الفونون في درجة حرارة الغرفة على زرنيخيد البورون، وهو شبه موصل بلوري معروف بموصليته الحرارية العالية.

بدلًا من انتظار انتشار الحرارة غير المرغوب فيها ثم محاولة إزالتها، يمكن لزرنيخيد البورون توجيه تلك الطاقة على طول مسارات مختارة بعناية باستخدام مقياس النانو الدقة، على غرار كيفية توجيه الألياف الضوئية للضوء.

تشكل الحرارة أشعة داخل البلورة

طور الباحثون طريقة لرسم خرائط درجة الحرارة على المستوى النانوي لجعل التأثير مرئيًا. أنتجت المواد العادية أنماطًا دائرية لدرجة الحرارة، مما يوضح العملية المألوفة التي تنتشر فيها الحرارة إلى الخارج.

تصرف زرنيخيد البورون بشكل مختلف. وشكلت أنماط درجة حرارتها أشعة متميزة، مما يكشف أن الحرارة كانت تنتقل بشكل تفضيلي على طول اتجاهات محددة داخل البلورة.

التوجه البلوري يعيد توجيه تدفق الحرارة

تغير النمط بطرق يمكن التنبؤ بها عندما تغير اتجاه البلورة. أنتجت مستويات مختلفة داخل زرنيخيد البورون ترتيبات ستة وثمانية وأربعة أضعاف من الحرارة المركزة.

استمر هذا السلوك الفونوني الكمومي عبر مسافات تبلغ ميكرومترًا واحدًا، ومن المحتمل أن يمتد لعشرات الميكرومترات. هذا النطاق كبير بما يكفي ليكون مناسبًا للعديد من الأجهزة الإلكترونية والفوتونية والكمية.

وقال هو، مؤلف الدراسة وعضو معهد كاليفورنيا لأنظمة النانو في جامعة كاليفورنيا: “هذه ملاحظة أساسية تمكننا من التفكير في الإدارة الحرارية بطريقة جديدة”. “من خلال تمكين توجيه الحرارة وتركيزها وإعادة توزيعها بدقة النانو في درجة حرارة الغرفة، فإن هذا الاكتشاف يرسي الأساس للهندسة الحرارية الكمومية.”

الحرارة الموجهة يمكن أن تخفف من ارتفاع درجة الحرارة

يمكن أن تساعد القدرة على التحكم في الحرارة على المقاييس الذرية في معالجة ارتفاع درجة الحرارة في أجهزة الذكاء الاصطناعي، والإلكترونيات الدقيقة، وأنظمة الطيران والفضاء وغيرها من الأجهزة حيث يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى تقييد الأداء والموثوقية وقابلية التوسع.

وقال هو إن النتائج قد تسمح للباحثين أيضًا بتعديل التفاعلات بين الفونونات والإلكترونات وحاملات الطاقة الأخرى. يمكن لمثل هذا التحكم أن يفيد المعلومات الكمومية وتقنيات الاستشعار المستقبلية.

التشتت الضعيف يحافظ على سلوك الموجة

تطلبت العروض السابقة لتركيز الفونون إلى حد كبير درجات حرارة أعلى ببضع درجات فقط الصفر المطلق. في ظل هذه الظروف، يمكن للفونونات السفر لمسافات طويلة دون الاصطدام أو التشتت بشكل متكرر.

في درجة حرارة الغرفة، تتشتت الفونونات عمومًا بشكل أكبر وتفقد تماسكها الموجي بسرعة، مما يتسبب في انتشار الحرارة من خلال الانتشار التقليدي.

تعتمد النتائج الجديدة على عمل هو جين تاو السابق الذي يتضمن اكتشاف تجريبي من زرنيخيد البورون في عام 2018. وقد أظهرت مجموعته منذ ذلك الحين واجهات حرارية عالية الأداء و زأجهزة نيتريد الآليوم التي تحتوي على زرنيخيد البورون للتبريدمما يؤكد إمكانات المادة لتقنيات أشباه الموصلات المستقبلية.

يعاني زرنيخيد البورون من تشتت فونون ضعيف بشكل غير عادي، مما يسمح بنقل الحرارة الموجي بالبقاء حتى في درجة حرارة الغرفة.

اتفقت أنماط الحرارة المقاسة مع التنبؤات النظرية، مما يؤكد أن الفونونات يمكن أن تنتقل بشكل غير عادي بعيدًا قبل التشتت، وهو الشرط الأساسي الذي يجعل سلوك موجة درجة حرارة الغرفة هذا ممكنًا.

المرجع: “التركيز على الفونون في درجة حرارة الغرفة” بقلم مان لي وهوان وو وزيهاو تشين وتشوانجين سو وهوو دوي نغوين ويونغجي هو، 23 يوليو 2026، فيزياء الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41567-026-03335-y

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.